Системы управления исполнительными механизмами

В отечественной промышленности выпускается целый ряд автоматических электронных регуляторов, позволяющих автоматизировать технологические процессы: температуры, давления, расхода, уровня, влажности и т.д. Среди них довольно распространенными являются системы автоматического регулирования «Каскад» и «Кристалл». Функциональное назначение и устройство блоков регуляторов этих систем одинаковы. В частности, прибор Р-25 («Кристалл») имеет следующие основные элементы: измерительный блок, электронный блок, датчик измеряемой (регулируемой) величины, его задатчик.

Научно-производственная фирма «КонтрАвт» производит большую линейку локальных интегрированных микропроцессорных регуляторов серии «МЕТАКОН» различной степени сложности и функционального предназначения. Это двух- и трехпозиционные терморегуляторы, ПИД- и ПДД-регуляторы (регуляторы, реализующие функции ПИД-регулирования совместно с реверсивными исполнительными механизмами интегрирующего типа: трехходовыми клапанами, заслонками и т.п.). Они могут иметь от одного до шести независимых каналов, принимать входной сигнал разной природы и управлять различными устройствами на выходе. Используются в качестве регуляторов температуры, уровня и расхода воды или газа и т.д. Наиболее часто используются как терморегуляторы, хотя и спроектированы как универсальные регулирующие устройства.

Регуляторы прямого действия реализуют простейшие зако-

ны регулирования и применяются для автоматизации простых объектов с малым числом регулируемых переменных, не предъявляющих повышенных требований к качеству систем регулирования (котлов малой производительности, теплообменников индивидуальных и центральных тепловых пунктов, газосмесительных станций, нагревательных печей и т.п.). Эти регуляторы применяют для автоматической стабилизации температуры, давления и перепада давления, расхода газообразных и жидких сред и уровня жидких сред. На рис. 4.36 приведена схема регулятора температу-

141

ры прямого действия. Регулятор температуры серии РТ состоит из регулирующего клапана 1 и герметичной термосистемы, содержащей термобаллон с узлом настройки 2 и исполнительный орган 3. Допустимое давление среды, в которую помещают термобаллон, составляет 1,6 МПа. При регулировании температуры воздействием на расход греющей среды применяют регуляторы с прямым клапаном, охлаждающей среды – с обратным клапаном.

Регуляторы давления прямого действия (рис. 4.37) применяют для автоматического поддержания заданного значения давления воды, пара, газа, нефтепродуктов. В частности, регулятор давления РД-32 обеспечивает давление до 1,6 МПа, имеет пределы регулирования 25–100 и 63–250 кПа, диаметр условного прохода 32 мм, температуру регулируемой среды в пределах 0–200 °С.

Для поддержания постоянного перепада давления на вводе в системы отопления (а следовательно, для стабилизации температуры внутри отапливаемых помещений) устанавливают регуляторы расхода РР (рис. 4.38).

Регулятор расхода РР поддерживает постоянный перепад давления на регулируемом участке (между регулятором и местом присоединения импульсной трубки). Регулируемый участок должен иметь значительное гидравлическое сопротивление. В качест-

142

ве регулируемого участка может быть использовано сопло элеватора или специально устанавливаемая диафрагма.

мающее клапан к седлу 6, уравновешивается усилием пружины при некотором подъеме клапана.

Принцип работы, характеристики и математические модели цифровых и релейно-импульсных регуляторов рассмотрены в последующих главах применительно к соответствующим СУИМ.

143

5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СУИМ

Принципы построения СУИМ, как, впрочем, и любой другой системы управления, базируются на контроле текущего состояния объекта управления и применении обратных связей по контролируемым координатам.

Вместе с тем для достаточно широкого класса объектов управления вполне допустимым является управление без обратных связей. К таким объектам управления относятся простейшие производственные механизмы, требующие реализации лишь алгоритмов двухпозиционного («вкл.-выкл.», или, иначе, «пуск-стоп») или трехпозиционного («пуск-стоп-реверс») регулирования. Это сверлильные и наждачные станки, подъемно-транспортные механизмы, пневмо- и гидромеханизмы на транспорте и др. СУИМ в этом случае строятся на основе контактных или бесконтактных реле и пускателей. В случае применения АДФР или ДПТ в СУИМ реализуют параметрическое управление на основе типовых релейноконтакторных станций управления. Жестких требований к статическим и динамическим показателям таких СУИМ не предъявляется.

Принципы построения замкнутых СУИМ определяются характером задачуправления. Приэтомразличают следующие системы:

–стабилизации какой-либо координаты ОУ;

–программного управления;

–следящие системы и системы воспроизведения движений. В зависимости от требований к статическим и динамическим

показателям управления применяют различные принципы организации обратных и компенсирующих связей в замкнутых СУИМ:

–по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной координаты от заданного значения);

–по вектору состояния ОУ (полному или редуцированному);

–по вектору возмущающих воздействий ОУ (с регулированием по возмущению);

–одновременно по векторам состояния и возмущающих воздействий (с комбинированным управлением).

144

5.1. Релейно-контакторные СУИМ

Релейно-контакторные системы управления (РКСУ) реализуются по принципу разомкнутого управления и применяются для управления электроприводами производственных механизмов, у которых не предъявляется высоких требований к качеству управления и ограничению координат СУИМ на допустимых уровнях. Главное – возможность реализации пуско-тормозных режимов без применения силовых преобразователей энергии (СПЭ).

К ним относятся СУИМ, содержащие преимущественно приводы малой мощности как постоянного, так и переменного тока. В технологическом процессе такие приводы призваны работать по принципу «пуск-стоп» или «пуск-стоп-реверс» и относятся к приводам постоянной скорости. Применительно к СУИМ их часто называют двухили трехпозиционными. Наибольшее применение в РКСУ нашли одно- и трехфазные асинхронные двигатели.

РКСУ асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Различают режимы пуска, торможения (остановки) и реверса (изменения направления вращения).

Наиболее простой способ пуска асинхронного короткозамкнутого двигателя (АД, или, иначе, АДКР) – прямое включение обмотки статора в сеть с помощью коммутационной аппаратуры. Это реле (для маломощных АД), рубильники, контакторы, автоматические выключатели, тиристорные или симисторные пускатели, высоковольтные выключатели (для высоковольтных АД). Пуск двигателя при этом сопровождается броском тока (до 6–7-кратного по отношению к номинальному току статора). Очевидно, что макси- мально-токовые реле и автоматические выключатели должны быть настроены на эти пусковые токи.

При необходимости ограничения пускового тока АД средней и большой мощности используется реакторный пуск (рис. 5.1, а), а для маломощных АД – реостатный пуск (рис. 5.1, б). В послед-

145

ние годы стали широко применяться полупроводниковые системы плавного пуска.

При пуске вначале включается выключатель Q1. Пуск АД осуществляется в режиме ограничения тока статора за счет пускового реактора LR или пускового резистора R. После уменьшения пускового тока в процессе разгона двигателя включается выключатель Q2.

Торможение АД с короткозамкнутым ротором осуществляют в режиме свободного выбега (отключения от сети и остановки под действием момента сопротивления холостого хода) или в режиме динамического торможения. Режим динамического торможения реализуют либо подключением двух фаз АД к сети постоянного тока (с возбуждением постоянным током), либо подключением статора АД к батарее конденсаторов, включенных в звезду или треугольник (в режиме самовозбуждения двигателя). Недостатками второго способа торможения являются возникновение тормозного эффекта внутри достаточно узкого диапазона скоростей и необходимость в использовании конденсаторов большой емкости. Достоинство этого способа – реализация режима компенсации реактивной мощности питающей сети в процессе динамического торможения.

146

Реверс АД осуществляют в режиме динамического торможения до нулевой скорости с последующим разгоном в обратную сторону переключением фаз или, что чаще, с использованием режима противовключения.

Для управления типовыми производственными установками применяют универсальные станции и панели РКСУ, осуществляющих управление режимами пуска, торможения и реверса, а также реализующих необходимые функции блокировок и защиты АД. На рис. 5.2 приведена принципиальная электрическая схема станции ПУ-5522, осуществляющей пуск привода ИМ в выбранном ключом SA направлении, динамическое торможение АД с наложением механического тормоза при установке ключа SA в нейтральное положение (остановка АД), торможение АД противовключением с последующим разгоном в обратном направлении при переводе ключа SA из одного крайнего положения в противоположное.

Рис. 5.2. Принципиальная электрическая схема станции ПУ-5522 управления короткозамкнутым АД

147

В нейтральном положении ключа SA при поданном питании на силовую схему и схему управления срабатывают реле KТ1 и KSV, катушки реле KB и всех контакторов обесточены.

Конечные выключатели SQ1, SQ2 ограничивают ход исполнительного механизма в крайних положениях.

При повороте ключа SA в любое из положений 1 или 2 срабатывает один из контакторов KM2 или KM3, затем контактор KM1. Запитываются катушки реле KТ2 и контактора электромагнитного тормоза KM5. АД разгоняется до номинальной скорости.

При переводе ключа SA в нейтральное положение контакты контакторов KM1, KM2 и KM3 переходят в обесточенное состояние и запитывается катушка контактора динамического торможения KM4. При этом срабатывает реле блокировки динамического торможения KB.

Блокировочное реле KB обеспечивает прерывание динамического торможения и повторное подключение АД к сети, если ключом SA выбрано одно из крайних положений 1 или 2. Это реле должно надежно втягиваться, запитываясь через последовательно включенную катушку контактора KM2 или KM3. Выдержка времени этого реле при отпадании должна быть на 20–30 % больше времени включения контакторов KM2 и KM3 (0,2–0,3 с).

Сопротивление резистора динамического торможения R выбирается из условия ограничения тока динамического торможения на уровне 3–4-кратного значения номинального тока.

При переводе ключа SA из одного крайнего положения в другое АД тормозится в режиме противовключения и разгоняется в обратном направлении.

Защиту АД от перегрузки выполняют максимально-токовые реле KА1 и KА2. В цепях питания катушек контакторов KM2, KM3 и KM4 включены блок-контакты, исключающие возможность одновременного включения любых двух из них.

На рис. 5.3 приведены механические характеристики АД, соответствующие реализуемым пуско-тормозным режимам. Момент статической нагрузки Мс на валу АД принят реактивным.

148

Пуск АД производится из неподвижного состояния (начала координат) по характеристике 1 (см. направления стрелок) до точки А установившегося состояния. Торможение АД осуществляется в режиме динамического торможения из установившегося состояния (точка А) по характеристике 2 до неподвижного состояния (начало координат). Реверс АД происходит в режиме противовключения из установившегося состояния (точка А) по характеристике 3 с разгоном в обратном направлении до нового установившегося состояния (точка A ).

Мс

A

Рис. 5.3. Механические характеристики короткозамкнутого АД в пуско-тормозных режимах

РКСУ асинхронным двигателем с фазным ротором

АД с фазным ротором (АДФР) в отличие от АД с короткозамкнутым ротором (АДКР) позволяет осуществить не только пус- ко-тормозные режимы, но и реализовать достаточно эффективное параметрическое регулирование скорости двигателя. Применение РКСУ в этом случае позволяет просто осуществлять многоступенчатые пуск, торможение и реверс и тем самым эффективнее ис-

149

пользовать возможности разомкнутого управления производственными установками. Многоступенчатые пуско-тормозные режимы АДФР реализуют, как правило, в функции времени, иногда – в функции электромагнитного момента, тока статора или ротора.

Параметрическое регулирование скорости АДФР основано на введении добавочных сопротивлений в цепи фаз ротора. Необходимо отметить, что такой способ регулирования имеет существенный недостаток – большие потери энергии, выделяемой в виде тепла при протекании тока в роторной цепи.

На рис. 5.4 приведена упрощенная силовая схема общепромышленной панели управления АД с фазным ротором типа ПУ-6520.

Рис. 5.4. Упрощенная принципиальная электрическая схема силовой части панели управления ПУ-6520

150